对火星轨道变化问题的最后解释-《死在火星上》


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    作者君在作品相关中其实已经解释过这个问题。

    不过仍然有人质疑——“你说得太含糊了”,“火星轨道的变化比你想象要大得多!”

    那好吧,既然作者君的简单解释不够有力,那咱们就看看严肃的东西,反正这本书写到现在,嚷嚷着本书BUG一大堆,用初高中物理在书中挑刺的人也不少。

    以下是文章内容:

    Long-term  integrations  and  stability  of  planetary  orbits  in  our  Solar  system

    Abstract

    We  present  the  results  of  very  long-term  numerical  integrations  of  planetary  orbital  motions  over  109  -yr  time-spans  including  all  nine  planets.  A  quick  inspection  of  our  numerical  data  shows  that  the  planetary  motion,  at  least  in  our  simple  dynamical  model,  seems  to  be  quite  stable  even  over  this  very  long  time-span.  A  closer  look  at  the  lowest-frequency  oscillations  using  a  low-pass  filter  shows  us  the  potentially  diffusive  character  of  terrestrial  planetary  motion,  especially  that  of  Mercury.  The  behaviour  of  the  eccentricity  of  Mercury  in  our  integrations  is  qualitatively  similar  to  the  results  from  Jacques  Laskar's  secular  perturbation  theory  (e.g.  emax~  0.35  over  ~±  4  Gyr).  However,  there  are  no  apparent  secular  increases  of  eccentricity  or  inclination  in  any  orbital  elements  of  the  planets,  which  may  be  revealed  by  still  longer-term  numerical  integrations.  We  have  also  performed  a  couple  of  trial  integrations  including  motions  of  the  outer  five  planets  over  the  duration  of  ±  5  ×  1010  yr.  The  result  indicates  that  the  three  major  resonances  in  the  Neptune–Pluto  system  have  been  maintained  over  the  1011-yr  time-span.

    1  Introduction

    1.1Definition  of  the  problem

    The  question  of  the  stability  of  our  Solar  system  has  been  debated  over  several  hundred  years,  since  the  era  of  Newton.  The  problem  has  attracted  many  famous  mathematicians  over  the  years  and  has  played  a  central  role  in  the  development  of  non-linear  dynamics  and  chaos  theory.  However,  we  do  not  yet  have  a  definite  answer  to  the  question  of  whether  our  Solar  system  is  stable  or  not.  This  is  partly  a  result  of  the  fact  that  the  definition  of  the  term  ‘stability’  is  vague  when  it  is  used  in  relation  to  the  problem  of  planetary  motion  in  the  Solar  system.  Actually  it  is  not  easy  to  give  a  clear,  rigorous  and  physically  meaningful  definition  of  the  stability  of  our  Solar  system.

    Among  many  definitions  of  stability,  here  we  adopt  the  Hill  definition  (Gladman  1993):  actually  this  is  not  a  definition  of  stability,  but  of  instability.  We  define  a  system  as  becoming  unstable  when  a  close  encounter  occurs  somewhere  in  the  system,  starting  from  a  certain  initial  configuration  (Chambers,  Wetherill  &  Boss  1996;  Ito  &  Tanikawa  1999).  A  system  is  defined  as  experiencing  a  close  encounter  when  two  bodies  approach  one  another  within  an  area  of  the  larger  Hill  radius.  Otherwise  the  system  is  defined  as  being  stable.  Henceforward  we  state  that  our  planetary  system  is  dynamically  stable  if  no  close  encounter  happens  during  the  age  of  our  Solar  system,  about  ±5  Gyr.  Incidentally,  this  definition  may  be  replaced  by  one  in  which  an  occurrence  of  any  orbital  crossing  between  either  of  a  pair  of  planets  takes  place.  This  is  because  we  know  from  experience  that  an  orbital  crossing  is  very  likely  to  lead  to  a  close  encounter  in  planetary  and  protoplanetary  systems  (Yoshinaga,  Kokubo  &  Makino  1999).  Of  course  this  statement  cannot  be  simply  applied  to  systems  with  stable  orbital  resonances  such  as  the  Neptune–Pluto  system.

    1.2Previous  studies  and  aims  of  this  research

    In  addition  to  the  vagueness  of  the  concept  of  stability,  the  planets  in  our  Solar  system  show  a  character  typical  of  dynamical  chaos  (Sussman  &  Wisdom  1988,  1992).  The  cause  of  this  chaotic  behaviour  is  now  partly  understood  as  being  a  result  of  resonance  overlapping  (Murray  &  Holman  1999;  Lecar,  Franklin  &  Holman  2001).  However,  it  would  require  integrating  over  an  ensemble  of  planetary  systems  including  all  nine  planets  for  a  period  covering  several  10  Gyr  to  thoroughly  understand  the  long-term  evolution  of  planetary  orbits,  since  chaotic  dynamical  systems  are  characterized  by  their  strong  dependence  on  initial  conditions.

    From  that  point  of  view,  many  of  the  previous  long-term  numerical  integrations  included  only  the  outer  five  planets  (Sussman  &  Wisdom  1988;  Kinoshita  &  Nakai  1996).  This  is  because  the  orbital  periods  of  the  outer  planets  are  so  much  longer  than  those  of  the  inner  four  planets  that  it  is  much  easier  to  follow  the  system  for  a  given  integration  period.  At  present,  the  longest  numerical  integrations  published  in  journals  are  those  of  Duncan  &  Lissauer  (1998).  Although  their  main  target  was  the  effect  of  post-main-sequence  solar  mass  loss  on  the  stability  of  planetary  orbits,  they  performed  many  integrations  covering  up  to  ~1011  yr  of  the  orbital  motions  of  the  four  jovian  planets.  The  initial  orbital  elements  and  masses  of  planets  are  the  same  as  those  of  our  Solar  system  in  Duncan  &  Lissauer's  paper,  but  they  decrease  the  mass  of  the  Sun  gradually  in  their  numerical  experiments.  This  is  because  they  consider  the  effect  of  post-main-sequence  solar  mass  loss  in  the  paper.  Consequently,  they  found  that  the  crossing  time-scale  of  planetary  orbits,  which  can  be  a  typical  indicator  of  the  instability  time-scale,  is  quite  sensitive  to  the  rate  of  mass  decrease  of  the  Sun.  When  the  mass  of  the  Sun  is  close  to  its  present  value,  the  jovian  planets  remain  stable  over  1010  yr,  or  perhaps  longer.  Duncan  &  Lissauer  also  performed  four  similar  experiments  on  the  orbital  motion  of  seven  planets  (Venus  to  Neptune),  which  cover  a  span  of  ~109  yr.  Their  experiments  on  the  seven  planets  are  not  yet  comprehensive,  but  it  seems  that  the  terrestrial  planets  also  remain  stable  during  the  integration  period,  maintaining  almost  regular  oscillations.

    On  the  other  hand,  in  his  accurate  semi-analytical  secular  perturbation  theory  (Laskar  1988),  Laskar  finds  that  large  and  irregular  variations  can  appear  in  the  eccentricities  and  inclinations  of  the  terrestrial  planets,  especially  of  Mercury  and  Mars  on  a  time-scale  of  several  109  yr  (Laskar  1996).  The  results  of  Laskar's  secular  perturbation  theory  should  be  confirmed  and  investigated  by  fully  numerical  integrations.

    In  this  paper  we  present  preliminary  results  of  six  long-term  numerical  integrations  on  all  nine  planetary  orbits,  covering  a  span  of  several  109  yr,  and  of  two  other  integrations  covering  a  span  of  ±  5  ×  1010  yr.  The  total  elapsed  time  for  all  integrations  is  more  than  5  yr,  using  several  dedicated  PCs  and  workstations.  One  of  the  fundamental  conclusions  of  our  long-term  integrations  is  that  Solar  system  planetary  motion  seems  to  be  stable  in  terms  of  the  Hill  stability  mentioned  above,  at  least  over  a  time-span  of  ±  4  Gyr.  Actually,  in  our  numerical  integrations  the  system  was  far  more  stable  than  what  is  defined  by  the  Hill  stability  criterion:  not  only  did  no  close  encounter  happen  during  the  integration  period,  but  also  all  the  planetary  orbital  elements  have  been  confined  in  a  narrow  region  both  in  time  and  frequency  domain,  though  planetary  motions  are  stochastic.  Since  the  purpose  of  this  paper  is  to  exhibit  and  overview  the  results  of  our  long-term  numerical  integrations,  we  show  typical  example  figures  as  evidence  of  the  very  long-term  stability  of  Solar  system  planetary  motion.  For  readers  who  have  more  specific  and  deeper  interests  in  our  numerical  results,  we  have  prepared  a  webpage  (access  ),  where  we  show  raw  orbital  elements,  their  low-pass  filtered  results,  variation  of  Delaunay  elements  and  angular  momentum  deficit,  and  results  of  our  simple  time–frequency  analysis  on  all  of  our  integrations.

    In  Section  2  we  briefly  explain  our  dynamical  model,  numerical  method  and  initial  conditions  used  in  our  integrations.  Section  3  is  devoted  to  a  description  of  the  quick  results  of  the  numerical  integrations.  Very  long-term  stability  of  Solar  system  planetary  motion  is  apparent  both  in  planetary  positions  and  orbital  elements.  A  rough  estimation  of  numerical  errors  is  also  given.  Section  4  goes  on  to  a  discussion  of  the  longest-term  variation  of  planetary  orbits  using  a  low-pass  filter  and  includes  a  discussion  of  angular  momentum  deficit.  In  Section  5,  we  present  a  set  of  numerical  integrations  for  the  outer  five  planets  that  spans  ±  5  ×  1010  yr.  In  Section  6  we  also  discuss  the  long-term  stability  of  the  planetary  motion  and  its  possible  cause.

    2  Description  of  the  numerical  integrations

    (本部分涉及比较复杂的积分计算,作者君就不贴上来了,贴上来了起点也不一定能成功显示。)

    2.3  Numerical  method

    We  utilize  a  second-order  Wisdom–Holman  symplectic  map  as  our  main  integration  method  (Wisdom  &  Holman  1991;  Kinoshita,  Yoshida  &  Nakai  1991)  with  a  special  start-up  procedure  to  reduce  the  truncation  error  of  angle  variables,‘warm  start’(Saha  &  Tremaine  1992,  1994).

    The  stepsize  for  the  numerical  integrations  is  8  d  throughout  all  integrations  of  the  nine  planets  (N±1,2,3),  which  is  about  1/11  of  the  orbital  period  of  the  innermost  planet  (Mercury).  As  for  the  determination  of  stepsize,  we  partly  follow  the  previous  numerical  integration  of  all  nine  planets  in  Sussman  &  Wisdom  (1988,  7.2  d)  and  Saha  &  Tremaine  (1994,  225/32  d).  We  rounded  the  decimal  part  of  the  their  stepsizes  to  8  to  make  the  stepsize  a  multiple  of  2  in  order  to  reduce  the  accumulation  of  round-off  error  in  the  computation  processes.  In  relation  to  this,  Wisdom  &  Holman  (1991)  performed  numerical  integrations  of  the  outer  five  planetary  orbits  using  the  symplectic  map  with  a  stepsize  of  400  d,  1/10.83  of  the  orbital  period  of  Jupiter.  Their  result  seems  to  be  accurate  enough,  which  partly  justifies  our  method  of  determining  the  stepsize.  However,  since  the  eccentricity  of  Jupiter  (~0.05)  is  much  smaller  than  that  of  Mercury  (~0.2),  we  need  some  care  when  we  compare  these  integrations  simply  in  terms  of  stepsizes.

    In  the  integration  of  the  outer  five  planets  (F±),  we  fixed  the  stepsize  at  400  d.

    We  adopt  Gauss'  f  and  g  functions  in  the  symplectic  map  together  with  the  third-order  Halley  method  (Danby  1992)  as  a  solver  for  Kepler  equations.  The  number  of  maximum  iterations  we  set  in  Halley's  method  is  15,  but  they  never  reached  the  maximum  in  any  of  our  integrations.

    The  interval  of  the  data  output  is  200  000  d  (~547  yr)  for  the  calculations  of  all  nine  planets  (N±1,2,3),  and  about  8000  000  d  (~21  903  yr)  for  the  integration  of  the  outer  five  planets  (F±).

    Although  no  output  filtering  was  done  when  the  numerical  integrations  were  in  process,  we  applied  a  low-pass  filter  to  the  raw  orbital  data  after  we  had  completed  all  the  calculations.  See  Section  4.1  for  more  detail.
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